L'EXPLOITATION SCIENTIFIQUE DES VITESSES DE L'ITRF2014...

ign.fr

L. Métivier H. Rouby P. Rebischung Z. Altamimi

IGN, LAREG, Paris-Diderot University, Paris, France.

L'EXPLOITATION SCIENTIFIQUE DES

VITESSES DE L'ITRF2014 :

TECTONIQUE ET DÉGLACIATIONS

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

PLAN

1. ITRF2014 et vitesses des stations géodésiques.

2. Contexte géophysique.

3. Vitesses horizontales : tectonique des plaques et GIA.

4. Vitesses verticales : GIA et changements climatiques. Une

signature propre à l’ITRF2014.

5. Conclusions.

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

SYSTÈME/REPÈRE INTERNATIONAL DE RÉFÉRENCE TERRESTRE

Le système (ITRS)

Origine : centre des masses Évolution temporelle de l’orientation :

condition de non rotation globale Échelle : unités SI

Le repère (ITRF)

Réalisation physique du système de référence :

« Etalon » de positions et vitesses de points à la surface de la Terre

Combinaison de mesures des techniques de

géodésie spatiale : GNSS – SLR – VLBI – DORIS

ITRF2014 (Altamimi et al., 2016) : dernière

réalisation du système

Nouveauté : Modélisation des mouvements non-

linéaires des stations

Origine : Satellite Laser Ranging (SLR)

Echelle : moyenne SLR et VLBI

Orientation : aligné sur l’ITRF2008

Précision : qq mms en position et ~1 mm/yr en

vitesse

Z

X

Y

Z

Y

X

GNSS

VLBI

DORIS

SLR

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

INTERNATIONAL TERRESTRIAL REFERENCE FRAME

975 sites (1499 stations)

Altamimi et al. (2016)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

• More than 100 sites are subject to Post-Seismic Deformation due to major earthquakes (Lercier, 2014)

Red Stars: EQ Epicenters (58) Green circles: ITRF2014 sites (117)

• Position time series of all stations exhibit periodic signals

Precisely modeling those components leads to more robust secular frame and site velocities.

ITRF2014: MODELLING NON-LINEAR STATION MOTIONS

Epicenter

• Discontinuity detection in position time series (e.g. co-seismic modelling; Métivier et al. 2014)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

ITRF2014 – VITESSES DES STATIONS

Composante Horizontale Composante verticale

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

VITESSES « LONG TERMES »

Vitesses de l’ITRF2014, périodes d’analyse :

VLBI : 1980 – 2015, SLR : 1983 – 2015, GPS : 1994 – 2015, DORIS : 1993 – 2015.

Sources potentielles de vitesses :

Déformations tectoniques

Déformations co- et post-sismiques

Rebond postglaciaire Réajustement viscoélastique du sol suite à la dernière déglaciation. (Canada, Scandinavie, Antarctique, Groenland, …)

Changements climatiques Réponse de la Terre solide à la fonte des glaces/montée du niveau des mers

Sources anthropogéniques (pompage des nappes, barrages, etc…)

« corrigées » dans l’ITRF2014

Prédominance verticale

Vitesses verticales et horizontales

Prédominance horizontale (petites en verticale)

déformations locales

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

RÉAJUSTEMENT ISOSTATIQUE POSTGLACIAIRE

(GIA : GLACIAL ISOSTATIC ADJUSTMENT)

Dernier Maximum Glaciaire (~20 000 ans) :

Hauteurs de glace sur les différentes calottes

polaires : Laurentide (Am. Nord) : max. 5-6 km

Scandinavie (Europe Nord) : max. 3-4 km

Antarctique : max. 5 km

Groenland : max. 3-4 km

Islande, Svalbard, Patagonie : max. 0.5-2 km

Enfoncement du sol sous les calottes : Laurentide : entre 500m -1km d’enfoncement

Déglaciation : Relâchement des contraintes

Réajustement isostatique du sol

Copyright

Déformations gravito-viscoélastiques toujours en cours actuellement

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

(e.g., Mitrovica et al., 2005)

charge TPW

Réajustement viscoélastique

Perturbation de la rotation et réajustement du bourrelet équatorial (rotational feedback)

IMPACT ACTUEL DU GIA

Remontée viscoélastique du sol max. ~14-20 mm/an

(Mission GRACE Tamisiea et al., 2005)

Perturbations du champ de pesanteur max. ~2-3 mm/an sur le géoïde

(Conrad, 2013)

Variations du niveau des mers

ICE6G (Peltier et al., 2016)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

DIFFÉRENTS MODÈLES DE GIA

Remises en cause majeures du modèle ICE5G (VM2)

Trop de glace en Laurentide ouest, pas assez à l’est

Trop de glace en Antarctique (Whitehouse 2012) Rotational feedback 7 fois trop grands

(Chambers et al., 2010 ; Métivier et al., 2012) Vitesses tangentielles incohérentes (Argus &

Peltier, 2010)

Modèles alternatifs avec re-détérmination des niveaux de glace :

Globaux : ANU (Lambeck et al., 2014) Locaux : BIFROST (Scandinavie), Ivins & James,

Whitehouse (Antarctique) ….

ICE5G

ANU – V3

ANU – V2

ICE6G

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

BILAN ACTUEL DES MASSES DE GLACE

Métivier et al., EPSL 2010 GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

FONTE DES GLACES ACTUELLE

Taux de fonte : Shepherd et al. (2012) - synthèse et combinaison des observations de gravimétrie spatiale et d’altimétrie satellitaire (~50 auteurs) :

Groenland - 200/-250 Gt/an, Antarctique -50/-100 Gt an.

Accélération ? Rignot et al. (2011) – glaciologie et niveau des mers

Matsuo et al. (2013) – gravimétrie et altimétrie spatiales

Vélicogna et al. (2014) – gravimétrie spatiale

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

VITESSES HORIZONTALES ITRF2014

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

Vitesses horizontales

VITESSES DES STATIONS DE L’ITRF2014

Altamimi et al. (2016)

Plaques tectoniques Modèle MORVEL56 (Argus et al., 2011)

Estimation précise des pôles de rotation des plaques tectonique

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

Critères de sélection des stations :

Rouge : Présence de post-sismique évident.

Zones de déformation de Kreemer et al.

Vert : Zones de GIA (selon ICE6G ou ANU).

Zones polaires (fonte de glace récente).

Bleu : Autres stations : Sélection finale

SÉLECTION DES STATIONS

Second invariant du tenseur des déformations de la Lithosphère (Kreemer et al., 2014)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

PÔLES DES PLAQUES TECTONIQUE

Comparaison entre modèles de

plaques ITRF2014 et ITRF2008

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

(Altamimi et al., GJI 2017)

IMPACT DU REBOND POSTGLACIAIRE

L’impact du GIA est largement sous-estimé :

Vitesses horizontales induites par le GIA (modèle ANU)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

VITESSES VERTICALES ITRF2014

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

ITRF2014 – VITESSE VERTICALE DES STATIONS

Glacial Isostatic Adjustement (GIA) (e.g. ICE-6G model; Peltier et al., 2016)

mm

/yr

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

EVALUATION DES SOLUTIONS ITRF : VITESSES

VERTICALES GIA

ITRF2005

(98%)

ITRF2008

(99%)

ITRF2000

(88%)

Les vitesses verticales GNSS ITRF

sont comparées aux prédictions

GIA sur les réseaux ITRF.

Les solutions ITRF sont de plus en

plus cohérentes avec les modèles

GIA avec le temps.

NB : Exclusion des stations avec une précision

supérieure à 1 mm/an ou présentant des

déformations postsismiques

(entre parenthèses : % des stations du réseau

gardées)

RMS

mm

/yr

ITRF2014

ICE6G

… Excepté l’ITRF2014 !

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

COHÉRENCE DES VITESSES VERTICALES : ITRF2008

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

COHÉRENCE DES VITESSES VERTICALES : ITRF2014

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

ITRF2014 : PARTICULARITÉ

A la différence des solutions précédentes,

l’ITRF2014 présente un signal fort sur le

Groenland, l’Alaska et la péninsule

Antarctique.

Déglaciation actuelle

Groenland (Alaska, Antarctique): Nombreuses nouvelles stations

Non-linéarités : discontinuités de vitesse

KELY THU3

ITRF2014

mm/an

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

GLOBAL SOLID EARTH FIGURE

Spherical Harmonic Coefficients (SHC) rates of degree 1 and 2 of

the solid Earth figure:

nms

nmc /

),(

Spherical harmonic (SH) functions

Colatitude, Longitude

Vertical velocities

Solid Earth ellipticity

Rotations

Triaxiality

Geocenter motions (CF w.r.t. CM) along (Z, X, Y) axes

Geoid ellipticity

𝒗𝒓 𝜽, , 𝒕 = 𝑪 𝒏𝒎 𝒕 𝒀𝒄𝒏𝒎 𝜽, λ + 𝑺 𝒏𝒎 𝒕 𝒀𝒔𝒏𝒎 𝜽,

𝒏

𝒎=𝟎

+∞

𝒏=𝟎

(𝑪 𝟏𝟎, 𝑪 𝟏𝟏, 𝑺 𝟏𝟏)

𝑪 𝟐𝟎

(𝑪 𝟐𝟏, 𝑺 𝟐𝟏)

(𝑪 𝟐𝟐, 𝑺 𝟐𝟐) 𝑱 𝟐

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

MÉTHODES DE RÉSOLUTION

Plusieurs méthode testées pour limiter l’aliasing : Moindre carré

Transformée de Legendre sur diagramme de Voronoï

Evaluation des Méthodes et estimation des biais/erreurs réalistes : Près de 50 000 modèles synthétiques testés combinant modèles de GIA et

modèles de fonte des glaces actuelle.

Bleu : Least Square Inversion Rouge : Direct Legendre Transform

Biais et dispersions des résidus (ex. ICE6G)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

RÉSULTATS : COEFFICIENTS HS (2013)

Géocentre Ellipticité Rotations Triaxialité (Métivier, et al., GRL 2012) (Métivier, et al., in rev.)

𝑪 𝟏𝟎 𝑪 𝟏𝟏 𝑺 𝟏𝟏 𝑪 𝟐𝟎 𝑪 𝟐𝟏 𝑺 𝟐𝟏 𝑪 𝟐𝟐 𝑺 𝟐𝟐

Spherical Harmonic coefficients

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

RÉSULTATS : COEFFICIENTS HS (2013)

Géocentre Ellipticité Rotations Triaxialité (Métivier, et al., GRL 2012) (Métivier, et al., in rev.)

𝑪 𝟏𝟎 𝑪 𝟏𝟏 𝑺 𝟏𝟏 𝑪 𝟐𝟎 𝑪 𝟐𝟏 𝑺 𝟐𝟏 𝑪 𝟐𝟐 𝑺 𝟐𝟐

Fonte des glaces actuelle ?

GIA rotational feedback

Spherical Harmonic coefficients

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

VARIATIONS D’ELLIPTICITÉ DE LA TERRE SOLIDE

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

MOUVEMENTS DU GÉOCENTRE ET VARIATIONS DU J2

Problèmes : Mouvements de géocentre : il nous faudrait les vitesses horizontales corrigées

de la tectonique des plaques.

Variations du J2 (ellipticité du géoïde) : ne peuvent être déduites du C20 sans

considérations rhéologiques.

Méthode : 1. Considérant un modèle GIA donné,

2. Supposant que les différences de coefficients HS avec le GIA sont dues à la

fonte des glaces actuelle,

3. Supposant classiquement que les déformations due à la fonte actuelle sont

élastiques,

On peut alors estimer le mouvement du géocentre et les variations de J2 à partir de l’ITRF2014

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

MOUVEMENTS DU GÉOCENTRE

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

DIFFÉRENTES ESTIMATIONS DU MOUVEMENT DU

GÉOCENTRE

Wu et al. (2011) : mouvement du

géocentre ~0.5 mm/an

(composante Z)

Métivier et al. (2010) : modélisation

géophysique (figure).

ITRF2014 : mouvement du

géocentre de 0.92 ± 0.50 mm/an en

2013.

Evolution temporelle (composante

Z) :

2000 : 0.6 ± 0.4 mm/an

2013 : 0.8 ± 0.4 mm/an

Métivier et al. (2010, 2011)

2000 2013

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

ANOMALIES DU J2 (ELLIPTICITÉ DU GÉOÏDE)

Observations : NASA/CSR

2J

GIA (ICE-6G)

GIA (ANU-V3)

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

TAUX DE VARIATION DU J2

𝑱 𝟐

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

TAUX DE VARIATION DU J2

GIA (ICE-6G)

𝑱 𝟐

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

TAUX DE VARIATION DU J2

GIA (ICE-6G) GIA (ANU-V3)

𝑱 𝟐

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

TAUX DE VARIATION DU J2

GIA (ICE-6G) GIA (ANU-V3) GIA (ANU-V4)

𝑱 𝟐

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

Introduire un peu de visco-

élasticité permet de diminue

le taux de J2.

Mais cela ne peut expliquer

la totalité des écarts

observés. Ce qui manque

est probablement dû à la

modélisation du GIA.

ÉLASTICITÉ VS VISCO-ÉLASTICITÉ

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

CONCLUSIONS

ITRF2014 – vitesses des stations :

Solution précise qui évolue dans le temps au niveau des calottes polaires.

Particularité : signature climatique sans précédent dans les vitesses verticales (fonte des glaces actuelle).

Comment séparer l’impact de la tectonique, du GIA et des changements climatiques actuels ?

Vitesses horizontales :

Nouveau modèle de tectonique des plaques (Altamimi et al., GJI 2017).

Impact du GIA mésestimé et potentiellement fort.

Vitesses verticales :

Variations de figure de la Terre induites par le GIA et la fonte des glaces actuelle.

La solution ITRF2014 tend à corroborer l’accélération de la fonte des glaces.

Notre solution surestime le taux de J2, probablement parce que l’on néglige la relaxation visqueuse et/ou que les modèles GIA sont imprécis.

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

MERCI

GEOPOS – L. Métivier – 19/03/2018

ÉLASTICITÉ VS VISCO-ÉLASTICITÉ

Adding viscous relaxations in RIM deformations would increase solid Earth

vertical motions and the C20 coefficient, but decrease gravitational potential

perturbations and the J2-rate.

0 0 /0

),()()()(1

),,(vn

n

m

nmi

sci

ice

nm

V

n

ice

nm

E

nr tVthtVhg

t

0 0 /

),()()()(1),,(n

n

m

nmi

sci

ice

nm

V

n

ice

nm

E

n tVtktVkt

Elasticity Viscous relaxation

)(),(,, tkthkh V

n

V

n

E

n

E

n

)(tV ice

nm

Elasticity Viscous relaxation

),( nmi

Vitesses verticales :

Perturbations du potentiel de gravité :

Nombres de Love :

Potentiel charge glace :

Harmonique sphérique : > 0 > 0

> 0 < 0

VERTICAL VELOCITIES: ITRF2000

NB : Les stations présentant des déformations postsismiques ont été supprimées

VERTICAL VELOCITIES: ITRF2005

« UNBIASED » SOLUTIONS

LSI : Least Square Inversion DLT : Direct Legendre Transform

THE ITRF & EARTH SCIENCE APPLICATIONS

Ice melting through

satellite altimetry

Crust response to

loading effects

Co & Post-Seismic

deformations

Precise Orbit

Determination

Accuracy of the RF parameters:

1 mm & 0.1 mm/yr

Center of Mass Provided by SLR

Image: © Thierry Moens © Olivier de Viron © Olivier Jamet © ZA © ESA © CNES

Earth Rotation

Y

Z

X

Volcano eruptions

& their

observations

Sea-level

variations via

satellite and

TG

Post-Glacial

Rebound

Tectonic motion

& deformation

VARIATIONS DU NIVEAU DES MERS

Elévation moyenne du niveau des océans :

3,0-3,5 mm/an

(Altimétrie satellitaire)

Nerem (2006)

Erreur due au référencement :

Une erreur de 2 mm/an le long de l’axe Z ==> erreur dans les mesures d’altimétrie satellitaire :

~0.5 mm/an sur le niveau moyen des mers

~2 mm/an sur les variations régionales du niveau des mers

IPCC Climate Change 2013

Beckley et al. (2007)

Objectifs : 1 mm & 0.1 mm/an